自从宇航员最后一次漫步月球迄今已近20年了。本世纪60年代和70年代里美国及苏联的载人或无人驾驶月球登陆舱已考查了15处地点。在长时期的中断之后或许美国是受到其他国家的努力的鼓舞，看来现在在考虑重返月球。重返月球的理由之一是开采氧或许还有氢。液氧和液氢是火箭化学燃料的主要推进剂，在月球上开采燃料能降低空间探险的成本。特别是考虑到氧比氢重，把它从地球运输到宇宙空间的使用点是很费钱的，此外月球岩石中的氧也比氢丰富得多。

着眼，点主要是应把月球看作太阳系最后的采矿点之一了，与地球、火星、金星或4、行星相比，月球的可挥发物已消耗殆尽，不会恢复大多数元素的原有浓度了我们会对月球不屑一顾直奔火星或小行星吗？有许多理由使我认为并非如此：月球离地球最近；它相对较低的重力场（这意味着花钱较少和易于进入空间）、某些原料丰富（'特别是岩石中的氡）、利用它测验在离地球更远的地方使用的设备和流程的潜在价值和它作为科研基地的适宜性。

如果说在月球开采和加工矿石其境况与地球相似，那矿业工程师会觉得滑稽，但如果告诉他们将产品提价100甚至1000倍仍可提供“利润”，那他们也许将改变主意。他们可向一个自产自销的市场出卖一种对呼吸和运输不可缺少的商品（氧气），空间的“利润”的原因之一是在空间制造材料比地球运来要便宜。按地球的标准，月球总的说来是＞：适于开采的，为什么是这样？

最重要的原因是月球比起相邻的行星或小行星来更彻底地耗尽了可挥发物质。其水的缺乏（甚至矿石中的固定水）曾是阿波罗计划的一大发现。存在挥发物的推断使本世纪60年代的月球开采论文听起来像是最近写的关于火星的论文，据说，那里含有相当丰富的水，大部以冰的形式存在，然而月球岩石实际上又干燥又难以熔化（熔点高），甚至耗尽了可挥发的硷性物如钠和钾。这一事实常被引用来支持一种月球起源于一次火星般大小的天体与早期地球的碰撞的假说，像那样规模的一次碰撞的能量足以将一个新天体上也许起初还有的若干可挥发物质驱逐殆尽、常规开采要依靠大量的水来冷却与润滑，移动及分离原料，溶解或沉淀金属。这些水部分可以循环使用，其他的可挥发杨，如一氧化碳，氧气和碳氢化合物在地球的采矿与选矿过程中同样是必不可少的。

对月球矿藏的勘探因耗时过长而将十分困难。月球已遭受过无数次撞击，导致土壤的均匀性，很难再有任何明显的矿物富集。水及其他可挥发物的匮乏或许也意味着不会有实质性的宝贵元素的富集在月球上被找到，至少按地球上的标准如此，按照矿床原始沉积的现有模式来看月球，目标是极其有限的。90%以上的地球矿物沉积模式不适用于月球。这种不适用性可说明月球上五种因素的缺乏：流体、富氧的大气，强有力的重力场、熔化和结晶的多阶段性和板块构造。

流体起的作用就像熔化温度和粘度都很低的岩浆流，它们也是地球成矿元素的主要携带者。月球上没有任何冰的痕迹存在，虽然它们也许存在于尚未勘探过的太阳照不到的极地火山口内。地球富氧大气的风化作用，丰富了矿藏的沉积，正如有助于勘探的叫“铁帽”的锈色区域一样。地球的强重力场会造成岩浆中有效的分离。难熔的月球岩浆温度较高（而粘度较低）也许会对这个效率有所补偿，但也会降低不同相间的元素分离量，换言之，会降低天然地溶液萃取和分级晶化过程。

分级熔化的发生和富硅氧花岗岩的晶化导致诸如锂、铍、锡、钨、钼、铀、钍和氟这样的不相容元素的共沉积。在地球上，这些元素一般是与称作伟晶岩的粗晶粒火成岩、具有较细晶粒的花岗岩和晶粒极细的流纹岩熔岩共生的。阿波罗登月计划带回来的月球岩石标本中硅质岩石是极为罕见的。板块构造和共生过程使得地壳岩石不同层次间得以循环，即形成了浓度的多阶段性。月球只经历过一个那样的阶段，结果是至少在可抵达的月球表面部分地由于撞击而造成不同的均匀性。月球确实曾经历过有限的玄武岩火山活动周期，因此在巨大的古火山口内有月海玄武岩产生。此处或许有相当数量的镁铁浸入甚至小量的花岗岩分离或成为分异岩。可能出现的沉积包括铜、镍硫化物和铂族元素的不混熔的微滴，重氧化物如钛铁矿（一种钛矿石）或铬铁矿（一种铬矿）和熔岩排气后刺下的多孔冷凝物形成的沉积，前两种类型的沉积形成会受到低重力（地球重力的1/6）的妨碍使得相的分离仅以地球上六分之一的速度进行。

因为我们无法计算那种指标，我们计划将开采月球岩石的常见元素，包括氧、硅、铝、铁、钛和镁。我们或许会着眼于其中最熟知的月球岩石月海玄武岩来取得铁、钛和镁，用月球高原上的别的岩石提取铝、钙和硅，在任何地方都可得到瓷原料（复合材料、玻璃纤维等）和氧气。

开采方法

在地球上主要是通过地下和地表的开采而取得矿石的，在月球上和地球一样，开采少量硫化物或氧化物沉积时也许会考虑地下开采战略以保护工人不受炽烈的太阳光焰伤害。然而，如果矿井是增压的，因在真空中出现裂缝失去空气这一缺陷是一个时刻存在的危险。

开采月球表面的土壤更为可行，因为月球表面的岩石早已被粉碎，所以无需再压碎或研磨，加之操作过程全部可以目睹，并可实施高度的机械化作业（包括使用矿工机器人）。低重力使运输变得容易得多（可用传送带、索道甚至弹道的方法），而月球上既无恶劣气候文无大气腐蚀（与弥漫的粉尘不同）也有助于开采工作的进行。

太阳能发电在月球上也许会成为一个问题，因为月球是14个白昼和14个黑夜交替进行的。昼夜温差极大也会引起润滑问题，摩擦力的改变并造成较脆弱设备的失效。附加的或原有的核发电，或在燃料电池、飞轮、蓄电池贮能和贮存热量（在熔融的岩石中）都是可能采用的办法（也许这里最后一种应用可通过某种分级结晶的形式进行）。建立在接近两极的基地的太阳能电厂的持续发电在理论上是可能的。

开采的下一步叫精破碎，即选矿或富集。采来的矿石（一种无机物的复杂的混合体）用廉价的物理手段处理之后成为均匀的高品位浓缩物，适于做更昂贵的化学处理。在月球上，化学后处理的巨大花费使选矿甚至比在地球上更为重要——这是一个为不少研究者所忽视的问题。月球缺乏水和有机试剂将排斥浮法泡沫选矿和重力富集的常规方法，虽然按大小分等（过筛）和高效磁选及静电富集法将仍是可能采用的方法。

月球矿石分离时主要的问题是微晶粒的存在和因撞击形成的玻璃化凝结块。即使在地球上，那种矿石混合物因其浓度低和回收矿石比率低而鲜为人知。虽然月球上不必处理地表，开采后地表复原不良不成其为一个重要问题。月球上可能存在的富矿包括来自陨石的铁镍，玄武岩的铁，玄武岩中的钛铁矿（FeTiO₃）（其中的氧也许可用氢气回收）和来自月球高原斜长岩中的钙长石（主要是CaAlSi₂O₈）（氧、铝、硅和钙石灰可被回收）特殊的瓷化合物也可富集后直接熔化变成有用的产品

熔化精炼之后一般是粉碎，如上所述，那种使用常规技术的流程不用药剂几乎是不可能的，如水、助熔剂、氧化剂、有机还原剂、添加剂、因素、致冷剂等。有个月球开发规划建议全部依赖地球运来的药剂（氢、碳、氮、氟和氯元素的化合物），或从小行星及火星卫星运到月球或宇宙空间的加工基地。这些药剂必须能循环使用。像氢这种试剂可以和其他的必需元素以稳定的化合物的形式运输，然后将其在月球上分解，绝大多数开发计划从化学及热力学的观点看来或多或少都是可能的，要选择其中最安全，最省钱、效率最高的制法。建厂费多少主要与工厂的重量和大小有关 · 地球上试剂的成本和可用性一般可忽略不计，特别是因为它们将被循环使用，月球上试剂的价值由其重量和可循环性衡量（包括寿命期限）。

人们目前较赞成的一个开发月球矿石的化学反应是用氢从钛铁矿提取氧。在理想状态下反应式为：FeTiO₃+H₂=Fe+TiO₂+H₂O当然，在最好的情况下这一反应也仅能利用钛铁矿中的三分之一的氧。就这也仅仅是热动力学上的理论可能性：必须在高压下以大量氢气流通过矿石粉末才能保证有令人满意的收率，况且氧是以水的形式得到的，必须将其电解才能产生O₂并再生出H₂。尽管如此，该流程及其所要求的设备在概念上是简单的，也许还可以通过进一步加工得到铁和钛。

在月球上致冷也会成为一个问题。与地球不同的是那里没有液体或大气流可资利用，月球上仅有向宇宙空间的辐射可以造成相当缓慢的冷却。

或许在月球上将建立冷库，也许就建立在极地的持续阴影地带，而且加工过程可在相当高温度下进行，下面笔者提出一种制法。

在月球开采计划中月球真空很受重视——也许是因为一个显而易见的理由——这样一种真空在地球上是无法利用的。将考虑采用真空蒸馏和提纯；这些步骤可在某个空间站实验。必须考虑的一个问题是气体是否会污染月球真空，此问题取决于科学上的要求。在开放空间的真空状态下进行处理比在月球表面造成的污染要小（除非是在近地轨道上）。在任何情况下只要试剂是循环使用的（闭合圈内进行）都意味着污染将相当小。

重力是影响决定在月球还是在宇宙空间开展最终加工的另一个因素。包括熔融（金属 - 炉渣）、蒸馏（液体 - 蒸汽）和溶解萃取（液体 - 液体）在内的相分离一般是依靠密度差和一个天然的或人工重力场的参与而完成的，为了生产将不得不在宇宙空间制造出人工重力场。另一方面，在零重力情况下原则上依赖表面张力的差异也能进行相分离，这样的分离在重力场中不易进行，但在宇宙空间已能进行。零重力条件下在宇宙空间可以制备特种合金，但在月球上却不行。

优先顺序

月球开采有可能集中在瓷和复合材料的生产而不是金属，因为初期只要求少量的加工制取金属铁及合金元素如镍和钴要比制取铝、硅、锰和钛容易。不过在用各种方法制取氧时别种金属会不可避免地以副产品的形式产出，所以实质上是“免费”的。月球上腐蚀很轻，重量相对无足轻重，可以想象这种情况将导致“铁器的第二个寿命”。

氧和常规金属是可能也可以从月球岩石中制取的，如按体积而非重量算，岩石大部分是由氧组成的；普通的月球矿石如钙长石和橄榄石约含有其重量45%的氧。制取氧和金属的最廉价技术将是那种按体积和重量来说使用最少量的地球试剂和材料的工艺。理想的试剂应该是重量轻，反应活性大和相当难挥发的，以便能便利和安全地循环使用和贮存它。所有的工艺都需要大量电能及热能来打开金属和氧之间的化学键。

用于生命支持系统和推进剂的氢，在干燥的月球表面上价值等于其自身重量的黄金，至少是白银 · 因此，高温加工（火法冶金）不能用氢和易损失的水，用辐射致冷更为可取，特别是在初期。

一种氟的使用法

笔者选择的助熔剂是氟而非氧。氟是一种最活泼的元素，能将任何矿石中的氧释放出来，为此目的，地质化学家在实验室规模上使用它已有30多年了。反应在500°C条件下在镍容器里可安全进行，并以从月球矿物提取出氧而闻名。

氟是卤素中最轻的元素，可形成最强的键，所以它的化合物是挥发性最小的。但四氟化硅是可挥发的，这一特性可用于硅酸盐的硅氧淋失或硅的浓缩以生产太阳能电池。氟形成的键其强度大约只有氧键的一半，所以绝大多数氟化物的熔化温度要低于氧化物的熔化温度。熔融的无水氟化物粘度低，导电性很好，所以可以被电解得到金属元素和氟，或在相当低的温度下（低于1000°C）用做难熔氧化物的溶剂。

在此反应中，笔者建议将氟以氟化钠结晶的形式运到月球，然后将其熔化并电解成金属钠和氟气，用膏状导电氟化物（CaF₂）做惰性电极，氟气与月球矿石钙长石或钛铁矿会立即起反应放出氧气，总反应式为：矿石+2F₂=氟化物混合物+O₂，氟“对应”于每个氧比例为2比1，进行提取。然后钠将氟化物混合物还原为金属和氟化钠，然后氟化钠可再次使用，换言之，纯反应为：CaAl₂Si₂O₈=CaO+2Al+2Si+7/2O₂ 。C O及CaF₂都不能被金属钠还原，但氧气产出达总含量的八分之七，相形之下，前面讨论过的以复还原钛铁矿的方法只能得到三分之一的氧。而且该方法得到的是纯氧而不是结合成的水，水必须进一步电解才能得到O₂。该方法还产生一种轻量结构金属铝；用于太阳能电池的硅和可用于瓷材料、混凝土，或许还用于蓄电池的氧化钙。

该方法和钛铁矿的氢还原法仅仅是提出的许多制氧反应中的两种；所有这些方法都需进一步研究其实际可行性，这些工作中只要其中有一种是令人满意的，月球就确实会成为太阳系探险的一个方便的“天空气体站”。

[American Scientist，1989年11 ~ 12月］